[论文解读] Performance Comparison of Dual Connectivity and Hard Handover for LTE-5G Tight Integration

Michele Polese, Marco Mezzavilla+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2016

Advanced MIMO Systems OptimizationEngineering被引用 21

一句话总结

本文评估了在LTE与毫米波5G网络紧密集成中采用双连接（DC）与切换（HH）的性能，使用集成5G毫米波和LTE模块的自定义ns-3仿真器。DC实现平均PDCP吞吐量106.70 Mbit/s、延迟5.1 ms，优于HH的104.98 Mbit/s与18.1 ms，原因在于切换更快且链路切换期间缓冲更少。

ABSTRACT

Communications at frequencies above 10 GHz (the mmWave band) are expected to play a major role for the next generation of cellular networks (5G), because of the potential multi-gigabit, ultra-low latency performance of this technology. mmWave frequencies however suffer from very high isotropic pathloss, which may result in cells with a much smaller coverage area than current LTE macrocells. High directionality techniques will be used to improve signal quality and extend coverage area, along with a high density deployment of mmWave base stations (BS). However, when propagation conditions are hard and it is difficult to provide high quality coverage with mmWave BS, it is necessary to rely on previous generation LTE base stations, which make use of lower frequencies (900 MHz - 3.5 GHz), which are less sensitive to blockage and experience lower pathloss. In order to provide ultra-reliable services to mobile users there is a need for network architectures that tightly and seamlessly integrate the LTE and mmWave Radio Access Technologies. In this paper we will present two possible alternatives for this integration and show how simulation tools can be used to assess and compare their performance.

研究动机与目标

• 评估并比较在紧密集成的LTE与毫米波5G网络中双连接（DC）与切换（HH）的性能。
• 解决在路径损耗高、易受遮挡的毫米波频段中维持超可靠、低延迟连接的挑战。
• 在ns-3中开发并验证一个集成5G毫米波与LTE协议栈的仿真框架，以实现准确的性能评估。
• 量化移动速度与X2接口延迟对信令开销和用户面性能的影响。

提出的方法

• 在ns-3中实现混合仿真器，集成NYU 5G毫米波协议栈与标准LTE模块。
• 通过单个RRC消息实现快速切换，使用户设备（UE）能够同时连接到LTE eNB与毫米波eNB，从而支持双连接。
• 在PDCP层设置集成点，实现在无线接入技术（RAT）之间类似切换的无缝切换，而无需完全重建连接。
• 在包含28 GHz毫米波eNB、2.1 GHz LTE eNB以及沿有遮挡路径以2 m/s移动的UE的城区场景中进行仿真。
• 在DC与HH仿真中配置相同的随机数种子，以确保通道条件可比，实现公平比较。
• 在不同X2延迟与UE速度条件下，测量关键指标，包括PDCP吞吐量、延迟、RLC缓冲区占用率及RRC信令负载。

实验结果

研究问题

• RQ1 在毫米波链路中断期间，双连接与切换在端到端延迟和吞吐量方面表现如何？
• RQ2 X2接口延迟对双连接与切换场景中RRC信令开销有何影响？
• RQ3 UE移动速度如何影响双连接与切换在毫米波覆盖盲区中的性能表现？
• RQ4 在RAT切换期间，双连接相比切换在减少分组丢失与缓冲方面有多大改善？
• RQ5 双连接能否在基于毫米波的5G网络中实现比切换更低的延迟与更高的可靠性？

主要发现

• 双连接实现平均PDCP层吞吐量106.70 Mbit/s，显著高于切换的104.98 Mbit/s。
• 双连接将平均延迟降低至5.1 ms，而切换为18.1 ms，原因在于切换更快且缓冲更少。
• 在链路中断事件中，双连接保持延迟低于40 ms，而切换出现287 ms的峰值延迟。
• 双连接降低了每个用户的RRC信令开销，提升了在控制面容量受限环境下的可扩展性。
• 双连接的性能增益在不同UE速度（2–16 m/s）与X2延迟（0.1–10 ms）下保持一致。
• 通过使用相同随机种子同步通道变化，该仿真框架实现了DC与HH之间的公平、可重复比较。